电机学 第二章直流电机

1、第二章第二章 直流电机直流电机2.7 2.7 直流电机的换向直流电机的换向2.1 概述概述2.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2.3 直流电机的磁场直流电机的磁场2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性2.6 直流电力传动直流电力传动一、概述一、概述直流电机发电机：得到直流直流电机发电机：得到直流电源。电源。直流电动机：具有直流电动机：具有良好的调良好的调速性能速性能，在许多调速性能要，在许多调速性能要求较高的场合得到广泛使用。求较高的场合得到广泛使用。 2.12.1概述概述2.1.1 工作原理工作原理 二、直流电机的用途直流电机的用途电源电源励磁机励磁机测速测速伺服伺服图图2

2、.1 用途用途(见图见图2.1).作作电源电源用用-直流发电机直流发电机.作作伺服伺服用用-自流电动机自流电动机.信号信号的传递的传递 =作为测量元件作为测量元件-直流测速发电机直流测速发电机 =作为执行元件作为执行元件-直流伺服电动机直流伺服电动机.做做励磁机励磁机用用一般小于一般小于1010万万kWkW即即100MW100MW的单机同步发电的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。机要用直流发电机作为励磁机。 直流电机是电机的主要类型之一。直流电机直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身又有着缺点。近年来，与电

3、力电子装置结合而具有有着缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值论意义和实用价值! !三三. .直流电机的特点直流电机的特点直流电动机以其良好的直流电动机以其良好的起动性起动性和和调速性能调速性能著称著称。(调速范围宽广，调速特性平过载能力较强调速范围宽广，调速特性平过载能力较强;热动和制热动和制动转矩较大动转矩较大)直流发电机直流发电机供电质量供电质量较好，常常作为励磁电源较好，常常作为励磁电源( (电电势波形较

4、好，对电磁干扰的影响小势波形较好，对电磁干扰的影响小) )。 结构较复杂结构较复杂直流电机直流电机 成本较高成本较高 使它的应用受到使它的应用受到 限制限制 可靠性较差可靠性较差存在换向器，其制造复杂，价格较高。存在换向器，其制造复杂，价格较高。 (1)(1)直流电机的环形物理模型图解释直流电机的环形物理模型图解释 直流电机的物理模型图见图直流电机的物理模型图见图2.22.2、2.3 2.3 。 图中表示一台最简单的两极直流电机模型。图中表示一台最简单的两极直流电机模型。固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有铁心和绕在环形铁心上还有

5、电刷。转动部分有铁心和绕在环形铁心上的。定子与转子之间有一的。定子与转子之间有一气隙气隙。四、直流电机的工作原理四、直流电机的工作原理图图2.2 直流电机的物理模型图直流电机的物理模型图 图图2.3 直流直流(发）电机的物理模型图发）电机的物理模型图 (2)直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 （图图2.4 ） 机械能机械能 直流电能的电气设备。直流电能的电气设备。 如何转换？分以下步骤说明：如何转换？分以下步骤说明： 设原动机拖动设原动机拖动转子以每分转转子以每分转n转转动转转动； 电机内部的电机内部的固定部分要有磁场固定部分要有磁场。 导体将感应电势导体将感应电势，其大小与磁通密度，其

6、大小与磁通密度 B 、导体的有效长度导体的有效长度 l 和导体切割磁场速度和导体切割磁场速度 v 三三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。 电势正方向：电势正方向：abcdabcdB+,A-B+,A-（1 1）、换流过程）、换流过程abcdABdcabAB电势正方向：电势正方向：dcbadcbaB+,A-B+,A- 图图2.4直流发电机的原理直流发电机的原理 注意：某一根转子导体的电势性质是交流电，而注意：某一根转子导体的电势性质是交流电，而经电刷输出的电动势是直流电。经电刷输出的电动势是直流电。 电势性质电势性质: 1. N 及及S极下的导体电势方向改

7、变极下的导体电势方向改变 2. 电刷与磁极相对静止，固定与电刷与磁极相对静止，固定与N极或极或S极下的极下的导体相连导体相连,电刷两端电势不变，为直流电电刷两端电势不变，为直流电. 由于由于电刷与换向器的配合作用电刷与换向器的配合作用， 交流电势变成交流电势变成了直流电势，这种电机为换向器式直流电机。了直流电势，这种电机为换向器式直流电机。（1 1）、换流过程）、换流过程abcd电流正方向：电流正方向：dcbadcba转矩方向：顺时针转矩方向：顺时针电势方向：电势方向：abcdabcd电流正方向：电流正方向：dcbadcba转矩方向：转矩方向：电势方向：电势方向：电流正方向：电流正方向：abc

8、dabcd转矩方向：顺时针转矩方向：顺时针电势方向：电势方向：dcbadcbadcababcdS(3)(3)直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 图图2.5 直流电动机工作原理直流电动机工作原理直流电动机工作原理：直流电动机工作原理：1.电源经电刷接通电枢绕组，电枢导体有电源经电刷接通电枢绕组，电枢导体有电流电流流过。流过。 2.电机内部有电机内部有磁场磁场。 3.载流转子（即电枢）导体受载流转子（即电枢）导体受电磁力电磁力 f 的作用的作用 f=Blia （左手定则）（左手定则） 4.所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以以n(转转/分分)旋转，拖

9、动机械负载。旋转，拖动机械负载。 五五.直流电机小结直流电机小结1.所有直流电机的电枢绕组总是自成闭路。所有直流电机的电枢绕组总是自成闭路。2.电枢绕组的支路数（电枢绕组的支路数（2a）永远是成对出现，）永远是成对出现， 这是由于磁极数这是由于磁极数 (2p)是一个偶数是一个偶数. 注：注：a支路对数支路对数 p极对数极对数3直流发电机为了得到最大的直流电势，电直流发电机为了得到最大的直流电势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。刷总是与位于几何中线上的导体相接触。 2. 1. 2 直流电机的主要结构部件直流电机的主要结构部件 一、基本结构一、基本结构直流电机直流电机定子定子转子转子机机座座

10、换换向向极极主主磁磁极极电电刷刷装装置置电电枢枢铁铁心心轴轴承承换换向向器器风风扇扇转转轴轴电电枢枢绕绕组组NSNS 直流电机由定直流电机由定子子(磁极磁极)、转子、转子(电枢电枢)和机座等和机座等部分构成。部分构成。图图2.6 国产直流电机的结构国产直流电机的结构二、定子二、定子 1.1.主磁极主磁极 （图（图2.72.7） 主磁极：主磁极：建立主磁场建立主磁场。 主磁极铁心主磁极铁心采用采用1 11.5mm1.5mm的低碳钢板冲压的低碳钢板冲压一一定形状定形状叠装叠装固定而成。固定而成。 主磁极上装有主磁极上装有励磁绕组励磁绕组。 主磁极的个数一定是偶数，相邻主磁极的极主磁极的个数一定是偶

11、数，相邻主磁极的极性按性按 N N，S S 极交替出现。极交替出现。图2.7 主磁极图2.8换向极2.2.机座机座 : : 一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。构框架。 一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。件（小型机座用铸铁件）制成。 两端装有端盖。两端装有端盖。3.换向极换向极 :（图（图2.8）作用：改善直流电机的换向情况，使电机作用：改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。运行时不产生有害的火花。结构：由换向极铁心和绕组构成，用螺杆结构：由换向极铁心和

12、绕组构成，用螺杆固定在机座上。固定在机座上。个数一般与主磁极的极数相等。个数一般与主磁极的极数相等。小功率直流电机中，可不装换向极的。小功率直流电机中，可不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，与主磁极的串励绕组的，要流过较大的电流，与主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。一样，导线有较大的截面。 5.5.电刷装置电刷装置: : 由电刷，刷握，刷杆和连线等组成。由电刷，刷握，刷杆和连线等组成。是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，握内用弹簧以一定的压

13、力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。钉夹紧在刷杆上。图图2.9三、转子三、转子 1.1.电枢铁心电枢铁心 （图（图2.102.10） 既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分。分。 为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm0.5mm且冲有齿、槽的型号为且冲有齿、槽的型号为DR530DR530或或DR510DR510的硅钢的硅钢片叠压夹紧而成片叠压夹紧而成， 图图2.102.10 电枢铁心电枢铁心图图2.11 2.11 电枢

14、绕组电枢绕组图图2.122.12 换向器换向器2.2.电枢绕组电枢绕组: :（图（图2.112.11） 是直流电机的电路部分，是是直流电机的电路部分，是产生感生电动产生感生电动势势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。3.换向器换向器: :（图（图2.122.12）在在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，电动机中，换向器起逆变作用，2.1.3 2.1.3 直流电机的额定值直流电机的额定值额定容量额定容量PN： 输出功率输出功率额定电压额定电压UN：额定状态下出线端电压：额定状态下出线端电压额定

15、电流额定电流IN：额定状态下出线端电流：额定状态下出线端电流额定转速额定转速nN： 额定状态下的电机转速额定状态下的电机转速直流发电机：直流发电机： PNUN IN直流电动机：直流电动机： PNUN IN 额定励磁电流额定励磁电流 I IfNfN: :电机在额定状态时的电机在额定状态时的励磁电流值。励磁电流值。额定效率额定效率额定转矩额定转矩T TN N2.2 2.2 直流电机的电枢直流电机的电枢绕组绕组 2.2.1 2.2.1 基本特点基本特点电枢绕组电枢绕组: : 直流电机的电磁感应的关键部件之一直流电机的电磁感应的关键部件之一, , 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换是直流电机的

16、电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。的枢纽。对电枢绕组的要求：对电枢绕组的要求： 在通过规定的电流和产生在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省，前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、强度高（机械、电气、热），电气、热）， 运转可靠，结构简单等。运转可靠，结构简单等。 一一.分类：分类： 分类为分类为环形和鼓形环形和鼓形(图图2.13)2.13) ； 环形绕组只曾在原始电机用过；环形绕组只曾在原始电机用过；现代直流电机现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组组。鼓形绕组比环

17、形绕组制造容易，又节省导线，鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。 叠式绕组叠式绕组( (单叠复叠单叠复叠)- )- 见图见图2.142.14鼓形绕组鼓形绕组 波式绕组波式绕组( (单波、复波单波、复波)- )- 见下页图见下页图2.152.15 蛙 型 绕 组蛙 型 绕 组 ( ( 又 叫 混 合 绕 组又 叫 混 合 绕 组)图图2.13 2.13 鼓形绕组环形鼓形绕组环形绕组示意图绕组示意图 图图2.14 2.14 叠绕组示意图叠绕组示意图 图图2.152.15波绕组示意图波绕组示意图 y=yy=y1

18、1-y-y2 2二、有关电枢绕组二、有关电枢绕组名词、术语名词、术语元件：元件：第一节距第一节距y1极距：极距：铁心表面，铁心表面， 一个极所占的距离一个极所占的距离第二节距第二节距y2合成节距合成节距y：换向器节距换向器节距yk：极轴线：极轴线：磁极中心线磁极中心线几何中心线：几何中心线：磁极之间的平分线磁极之间的平分线图图2.16虚槽虚槽槽内每层有槽内每层有u u个元件边，把每个实际的槽看作包个元件边，把每个实际的槽看作包含含u u个虚槽。实际槽数个虚槽。实际槽数z,z,虚槽数虚槽数zi,zi,则则z zi i= z = z * * u u有效边有效边：有效边是指线圈的有效边是指线圈的直线

19、直线部分。部分。 端部：线圈非接触电枢铁心的那个部分。端部：线圈非接触电枢铁心的那个部分。上、下层上、下层： 图图2.172.17图图2.17 2.17 绕组实物图绕组实物图元件数元件数S S与换向片数与换向片数K K：S=K=zS=K=zi i第一节距第一节距y y1 1: :元件的两条有效边在电枢表面上所跨的元件的两条有效边在电枢表面上所跨的距离，用距离，用y1表示。第一节矩的大小通常用表示。第一节矩的大小通常用所跨的虚所跨的虚槽数来计算槽数来计算。第二节距第二节距y y2 2：相串连的两个元件第一个元件的下相串连的两个元件第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距层边与第

20、二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离。用离。用y2表示，用虚槽数计算。表示，用虚槽数计算。 合成节距合成节距y y：相串连的两个元件的对应边在电枢表面相串连的两个元件的对应边在电枢表面所跨的距离，称为合成节矩。所跨的距离，称为合成节矩。 换向节距换向节距ykyk: :第一个元件的两端所接的两片换向片在第一个元件的两端所接的两片换向片在换向器表面上所跨的距离。换向器表面上所跨的距离。 数值上数值上y=yy=yk k绕组的联接绕组的联接：单叠绕组：单叠绕组：相邻联接的两个元件互相交错地重叠。相邻联接的两个元件互相交错地重叠。多相邻元件依次串联，同时每个元件的引线端依次多相邻元件依次串联，同时每个

21、元件的引线端依次焊接到相邻的换向片上最后形成闭合回路。焊接到相邻的换向片上最后形成闭合回路。(图图2.142.14图图2.19)2.19)单波绕组：单波绕组：相邻联接的两个元件呈波浪形。相邻联接的两个元件呈波浪形。(图图2.15)2.15) y1y2yy= -1图图2.19单叠绕组单叠绕组 (左行左行)各种形式直流电机绕组的区别主要表现在各种形式直流电机绕组的区别主要表现在合成节矩合成节矩上，其公式为：上，其公式为： 叠绕组：叠绕组：y = yy = y1 1 - y - y2 2 单叠右行：单叠右行：y = + 1y = + 1 单叠左行：单叠左行：y = - 1y = - 1因单叠左行绕组

22、端接部分交叉，故很少采用。因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。 波绕组：波绕组：y = y1 y2 2.2.22.2.2单叠绕组单叠绕组1、 数据计算：数据计算：yyk1计算数据计算数据y和和y1画绕组展开图画绕组展开图安放电刷和磁极安放电刷和磁极4221621 pZy 一台一台4极极16槽直流电机，换向片数槽直流电机，换向片数K=16；电枢绕组的元件数电枢绕组的元件数S=16；(z=zi=s=k)试画试画出整距右行单叠绕组展开图。出整距右行单叠绕组展开图。1单叠绕组展开图单叠绕组展开图123456789101112131416152345678910111213141615槽展开槽展开绕

23、组放置绕组放置安放磁极、电刷安放磁极、电刷NSNS+图图2.21展开图（展开图（2）1123456789101112131416152345678910111213141615NSNS+图图2.22绕组放置绕组放置l元件元件1 1： 上元件边在上元件边在1 1槽，槽， 下元件边放在相距下元件边放在相距y y1 1=4=4即即5 5槽下层。槽下层。l元件元件2 2： 上元件边在上元件边在2 2槽，槽， 下元件边放在相距下元件边放在相距y y1 1=4=4即即6 6槽下层。槽下层。以此类推以此类推某一瞬间某一瞬间电刷、磁极放置电刷、磁极放置l电刷的放置原则电刷的放置原则:为了在正负电刷间获得最大直

24、流电势以及产为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩生最大的电磁转矩,电刷放在被电刷短路的电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。元件电势为零的位置。磁极：磁极：磁极宽度约磁极宽度约0.7 , 0.7 , 均匀分布，均匀分布，N N、S S极交替极交替安排。安排。电刷：电刷：联接内、外电路。联接内、外电路。电势为零的元件：电势为零的元件：在一个主极下的元件边电势具有相在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。同的方向。 在磁极的几何中心线上电势为零。在磁极的几何中心线上电势为零。几何中性线几何中性线 电枢上的几何中性线：相邻两主极间的中心电枢上的几何中性线：相邻两主极间的中心线，空

25、载时电枢表面主极磁场径向磁通密度为线，空载时电枢表面主极磁场径向磁通密度为0处。处。几何中性线上元件边感应电动势为几何中性线上元件边感应电动势为0。 换向器上的几何中性线：换向器上的几何中性线：与主极轴线重合。与主极轴线重合。元件电动势为元件电动势为0的元件所接两换向片的中心线的元件所接两换向片的中心线称为换向器上的几何中性线。称为换向器上的几何中性线。电刷放在换向器上的几何中性线。电刷放在换向器上的几何中性线。元件连接顺序图元件连接顺序图绕电枢一周，绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。所有元件互相串联构成一闭合回路。单叠绕组的支路数恒等于电机的极数，这里为单叠绕组的支路数恒等于电机

26、的极数，这里为4 4极极，即有，即有4 4个支路。个支路。 电路图电路图图图2.23 电路图电路图 2.32.3 直流电机的磁场直流电机的磁场l 直流电机磁场由直流电机磁场由永久磁铁永久磁铁或或励磁绕组通励磁绕组通以直流电励磁以直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组产生。励磁绕组和电枢绕组不同的联接，决定了不同的励磁方式。不同的联接，决定了不同的励磁方式。l 不同的励磁方式，不同的励磁方式， 电机的性能将不同。电机的性能将不同。 一、励磁方式一、励磁方式2.3.1 直流电机的按励磁方式分类直流电机的按励磁方式分类励磁方式：励磁方式： 直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称直流电机产生磁场的励磁绕组

27、的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。联接，就决定了它是什么样的励磁方式。二、励磁方式分类二、励磁方式分类 他励他励式式 并励式并励式 自励自励式式 串励式串励式 复励式复励式(1)(1)、他励、他励：直流电机的励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。供给。如图所示。aII 他励直流发电机的电枢他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：电流和负载电流相同，即：图图2.24 2.24 他励接线图他励接线图aEaIUI+-aII fI+-aI电动机电动机发电机

28、发电机IaE2 2、并励、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。图图2.25 2.25 并励励磁方式接线图并励励磁方式接线图并励式并励式 直流发电机：直流发电机：I Ia a I II If f 直流电动机：直流电动机：I Ia a I II If faEaIUI+-fIaI电动机电动机发电机发电机IaEfI3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。：励磁绕组与电枢绕组串联。IIIfa图图2.26 2.26 串串励励磁方式接线图励励磁方式接线图aEaIUI+-4 4、复励、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁

29、绕组，一个与电枢绕组串联，一个与有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF图图2.26 2.26 复复励励磁方式接线图励励磁方式接线图一、空载时负载电流为零，一、空载时负载电流为零，电机内部的磁场（电机内部的磁场（气隙气隙磁场）磁场）由励磁绕组通过电流产生的由励磁绕组通过电流产生的磁势决定。磁势决定。 图图2.272.27 气隙磁密分布曲线气隙磁密分布曲线2.3.2 直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场空载磁通密度沿转子外圆空载磁通密度沿转子外圆周长方向的变化情况即周长方向的变化情况即空空载磁密的分布波形呈平顶载磁密

30、的分布波形呈平顶波波.xB空载时磁密分布波形空载时磁密分布波形呈平呈平顶波顶波的原因是：在主极直轴附的原因是：在主极直轴附近的气隙较小，并且气隙均匀，近的气隙较小，并且气隙均匀，磁阻小，即此位置的主磁场较磁阻小，即此位置的主磁场较强，在此位置以外，气隙逐渐强，在此位置以外，气隙逐渐增大，主磁场也逐渐减弱，到增大，主磁场也逐渐减弱，到两极之间的几何中线处时，磁两极之间的几何中线处时，磁密等于密等于0。二、空载时磁场分布二、空载时磁场分布磁路：磁路：气隙气隙1出发经出发经电枢齿电枢齿1电枢轭电电枢轭电枢齿枢齿2气隙气隙2主磁主磁极极2定子轭主磁极定子轭主磁极1，最后又回到，最后又回到气隙气隙1图图

31、2.28 2.28 直流电机空载时的磁场分布直流电机空载时的磁场分布磁通、磁路磁通、磁路主磁通、主磁路：由主磁通、主磁路：由N N极出极出发，发， 经气隙进入电枢齿部，经气隙进入电枢齿部，经电枢铁心的磁轭到另外的经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿，通过气隙进入电枢齿，通过气隙进入S S极，极，再经定子轭回到原来再经定子轭回到原来N N极。极。主磁通交链励磁主磁通交链励磁绕组和电枢绕组，绕组和电枢绕组， 在电枢绕组中感在电枢绕组中感应电势，产生电应电势，产生电磁转矩。磁转矩。漏磁通、漏磁路：不进入漏磁通、漏磁路：不进入电枢铁心，直接经过相邻电枢铁心，直接经过相邻的磁极或定子轭。的磁极或定子轭。影响饱

32、和影响饱和程度程度图图2.29主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通l主磁通主磁通0和漏磁通和漏磁通由同一磁动势建立；由同一磁动势建立；l0所走的路径气隙小，磁阻小；所走的路径气隙小，磁阻小；l漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；漏磁通所走的路径气隙大，磁阻大；l漏磁系数漏磁系数:;10 k00 kp 2.3.3 2.3.3 直流电机的电枢磁动势和磁场直流电机的电枢磁动势和磁场 直流电机直流电机负载负载后，后，电枢绕组有电流通过，产生电电枢绕组有电流通过，产生电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响称电枢反应枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响称电枢反应。 气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同决定气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同

33、决定。电枢磁动势使气隙磁场发生畸变。电枢磁动势使气隙磁场发生畸变。电刷是电枢表面上电流分布的分界线电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。电刷放在换向器几何中性线上时电刷放在换向器几何中性线上时，电枢磁动，电枢磁动势轴线也在换向器几何中性线上，电枢磁动势轴线也在换向器几何中性线上，电枢磁动势轴线恰好与主极轴线正交（空间上相差势轴线恰好与主极轴线正交（空间上相差900电角度），这种电枢磁动势称为电角度），这种电枢磁动势称为交轴电交轴电枢磁势枢磁势。交轴磁势交轴磁势与主极轴线正交的轴线通常称为交轴与主极轴线正交的轴线通常称为交轴与主

34、极轴线重合的轴线称为直轴；与主极轴线重合的轴线称为直轴；图图2.30 电枢电枢上半周电流流出，下半周流入，电枢磁动势上半周电流流出，下半周流入，电枢磁动势建立的磁场如虚线所示。建立的磁场如虚线所示。与主极轴线正交的轴线通常称为交轴与主极轴线正交的轴线通常称为交轴，与主极轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴；线重合的轴线称为直轴；当电刷位于几何中性线上时，当电刷位于几何中性线上时，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。电枢磁动势时交轴电枢磁动势。 电枢电枢磁动势磁动势沿空间分布呈沿空间分布呈三角形三角形，在电刷处达，在电刷处达到最大到最大磁通密度曲线为马鞍形磁通密度曲线为马鞍形. .2 2 直轴电枢磁势直轴电

35、枢磁势F Fadad 当当电刷不在几何中线电刷不在几何中线时，时， 移过一个小角度移过一个小角度，除，除 交轴电枢磁交轴电枢磁动势动势外，还会产生外，还会产生直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势。图图2.322.3.4 2.3.4 交轴交轴电枢反应和电枢反应和直轴直轴电枢反应电枢反应一、直轴电枢反应一、直轴电枢反应 直流发电机直流发电机 电刷顺转向偏移一个小角度电刷顺转向偏移一个小角度时，直轴电枢反时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。应对主极磁场的作用将是去磁的。 电刷逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反电刷逆转向偏移一个小角度时，直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。应对主极磁场的作用将是增

36、磁的。 直流电动机：直流电动机：直流电动机的电枢反应情况与直流电动机的电枢反应情况与直流发电机恰好相反。直流发电机恰好相反。图图2.33 电刷偏离几何中性线时电枢反应电刷偏离几何中性线时电枢反应电刷从几何中性线偏电刷从几何中性线偏移移 角，电枢磁动势角，电枢磁动势轴线也随之移动轴线也随之移动 角，如图角，如图(a)(b)所示。所示。adFaqF这时电枢磁动势可以这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势 。如图如图(a)(b)所示。所示。二、交轴电枢反应二、交轴电枢反应 无论直流电机的电刷是否与几何中线处的导体无论直

37、流电机的电刷是否与几何中线处的导体相接触，相接触，交轴磁势交轴磁势F Faqaq 及其电枢反应均存在。及其电枢反应均存在。空载时磁密分布波空载时磁密分布波 BoBo（x) x) 波和负载时电枢磁波和负载时电枢磁密分波密分波 BaBa（x) x) 波合成得到波合成得到气隙合成磁密波气隙合成磁密波 BB（x) x) 。 即：即： bobo（x) + bax) + ba（x) x) bb（x) x) 平顶波形马鞍波形斜坡波形平顶波形马鞍波形斜坡波形（不计饱和时此式成立）（不计饱和时此式成立） 交轴电枢反应交轴电枢反应NS主极产生磁场的磁密波形主极产生磁场的磁密波形)2 (21xDNiFaaax ax

38、axFB 0电枢绕组产生磁场的磁密波形电枢绕组产生磁场的磁密波形合成磁场的磁密波形合成磁场的磁密波形图图2.34三、直流电机电枢反应小结三、直流电机电枢反应小结（1 1）交轴电枢反应）交轴电枢反应使主磁场的波形畸变使主磁场的波形畸变 直流发电机直流发电机 直流电动机直流电动机前极端前极端 去磁去磁 增磁增磁后极端后极端 增磁增磁 去磁去磁具有一定的饱和去磁作用具有一定的饱和去磁作用（2 2）直轴电枢反应（仅在电刷偏移理论位置时）直轴电枢反应（仅在电刷偏移理论位置时存在）存在） 电刷偏移方向电刷偏移方向 直流发电机直流发电机 直流电动机直流电动机顺转向偏顺转向偏 去磁去磁 增磁增磁逆转各偏逆转各

39、偏 增磁增磁 去磁去磁2.3.5 2.3.5 电枢绕组的感应电动势和电磁转矩电枢绕组的感应电动势和电磁转矩一、直流电势表达式一、直流电势表达式( (四大基本公式之一）四大基本公式之一）一根导体：一根导体：vlBeiavav 602npv iavlB 支路电势：支路电势：nCnapNnpllaNeaNEeiiava 6060222 ：每极磁通：每极磁通nCna60pNEea Ce：电势常数：电势常数N：总导体数：总导体数二、电磁转矩二、电磁转矩 Tem (Tem (四大基本公式之一）四大基本公式之一）一根导体的平均电磁力：一根导体的平均电磁力：aiavavilBf aIiaa2 作用在电枢上的总

40、电磁力：作用在电枢上的总电磁力：NilBNffaiavav 电磁转矩：电磁转矩：22DNilBDfTaiavem pD2 aTaaiiemICIapNpNaIllT2222CT: 转矩常数转矩常数aTaemICIapNT2 一台制造好的电机，一台制造好的电机， 它的电磁转矩正比于每它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流，极磁通和电枢电流， 与磁密分布无关。与磁密分布无关。 电势常数电势常数Ce和转矩常数和转矩常数CT决定于结构常数。它决定于结构常数。它们的关系为：们的关系为：55. 9260eTCC一、直流电机的一、直流电机的可逆性可逆性：（图：（图2.35)2.35) 1 1）直流发电机）直流

41、发电机 （原动机以（原动机以T1T1拖动电枢以拖动电枢以n n旋转）旋转） E Ea a和和I Ia a同方向；同方向； E Ea a U UT Temem与与n n反方向，反方向，T Temem是制动作用的转矩是制动作用的转矩。 （2）直流电动机）直流电动机 E Ea a和和I Ia a反方向；（故电动机的电势又叫反电势）反方向；（故电动机的电势又叫反电势） E Ea a U E Ea a图图2.372.37 二、二、电动势平衡电动势平衡 aEMUaIemT0T2TnfIfU三、功率平衡三、功率平衡（四大基本关系式之一）（四大基本关系式之一）1.1.电磁功率电磁功率P Pem em 定义：电

42、磁功率是能量转换【电能定义：电磁功率是能量转换【电能机械能】机械能】过程中的转换功率。过程中的转换功率。 P PememEaIa = T Temem EaIa=(PN/60a)* nIa= nIa= (PN/ 2 a) IaIa* *( (2 n/60)n/60) = =T Temem 电动机从电源输入的电功率为：电动机从电源输入的电功率为： cufcuaemfaaaafaaaappPUIRRIIEIUIRRIEIUP )()(21admecfepppp 00202)(pPTTTIEPemaaem n 602 2.功率平衡功率平衡 直流电动机的功率平衡式：直流电动机的功率平衡式： pPpppp

43、pPPadmecfecufcua221 %100)1(%100212 pPpPP 效率：效率：3.效率效率四、转矩平衡方程式四、转矩平衡方程式1.1.当电机以恒定转速旋转时当电机以恒定转速旋转时 设设 T T0 0 电机本身的机械阻力转矩；电机本身的机械阻力转矩； T T1 1,T,T2 2 表示电机的输入，输出转矩。表示电机的输入，输出转矩。 则则 发电机发电机 T T1 1 = T = T0 0 + T + Temem 电动机电动机 T Temem = T = T0 0 + T + T2 2 2 2、当电动机转速变化时、当电动机转速变化时T Temem = T = T0 0 + T + T

44、2 2 +J+J* *d d /dt= /dt= T TC C + T+ Tj jT Tj j为惯性转矩，为惯性转矩， T Tj j = J= J* *d d /dt/dtT TC C为机组总负载制动转矩，为机组总负载制动转矩，T TC C = T= T0 0 + T + T2 22.5.2 2.5.2 工作特性工作特性工作特性：工作特性： 是指在是指在U UU UN N，I If fI IfNfN时，时， 转速转速n n、电、电磁转矩磁转矩T Temem和效率和效率 随输出功率随输出功率P P2 2而变化的关系。即而变化的关系。即 )(,2PfTnem 或或)(,aemIfTn 还研究还研究

45、n n与与T Temem之间的关系，之间的关系， 即机械特性即机械特性:n nf f（ T Tem em ）1.并励（他励）电动机转速特性并励（他励）电动机转速特性fNfNIIRUU , 0,时，时，)(aIfn 的关系为的关系为转速特性转速特性。aaaaNICeRnICeRCeUn 0根据转速公式，可得根据转速公式，可得n0： 理想空载转速理想空载转速;0 CeUnN 转速下降不多，转速下降不多， 考虑电枢反应，考虑电枢反应， 有可能升高。有可能升高。 nIaIan0图图2.38P P2 2T Temem2.并励（他励）电动机转矩特性并励（他励）电动机转矩特性根据转矩公式：根据转矩公式：02

46、emTTT60/n 2PT22图图2.39因为负载增加，因为负载增加， n稍稍下降，曲线稍上翘下降，曲线稍上翘2TemT3.并励（他励）电动机效率特性并励（他励）电动机效率特性当当U UU UN N， I If fI IfNfN时，时，)(Iaf 的关系叫效率特性。的关系叫效率特性。%100)(1(%100)1(21 faNaaadmecfecufIIURIppppPp 其中其中:admecfecufpppp 为不变损耗为不变损耗aacuaRIp2 为可变损耗为可变损耗 与与IaIa之间存在二次关系，之间存在二次关系， 效率曲线存在一个最大值。效率曲线存在一个最大值。 0 adId 令令 可得

47、可得NfNII 忽略励磁电流忽略励磁电流aaadmecfecufRIpppp2 %100)(1(%100)1(21 faNaaadmecfecufIIURIppppPp 图图2.40aI0结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，损耗时， 此时效率最高。此时效率最高。推论推论： （1）额定运行时总损耗）额定运行时总损耗 ； （2）可从额定数据来估算电枢回路总电阻。）可从额定数据来估算电枢回路总电阻。aNRIp22 221NNNNaIPIUR 上述结论和推论具有普遍性上述结论和推论具有普遍性TemTemn n4.并励（他励）电动机机械特性并励（他励）

48、电动机机械特性机械特性反映的是机械特性反映的是转速与电磁转矩之间的变化规律转速与电磁转矩之间的变化规律。 aTemeaaeaaaRCTn CRIn CRIEUem2TeaeTCCRCUn2TeaCCR机械特性是稍下降的直线，机械特性是稍下降的直线， 计及饱和，成为水平或上翘。计及饱和，成为水平或上翘。有有图图2.411 jR1 j2jRR0RjjR人为机械特性人为机械特性 从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化，而稍有变化， 该特性称为该特性称为硬特性硬特性。 用转速变化率来表征：用转速变化率来表征：%100%0 NNnnnnIaIan n5.串励电

49、动机转速特性（串励电动机转速特性（ ）eaaeNaaNCRICUICeRCeUn 根据转速公式，可得根据转速公式，可得)(aIfn afffIKIK faIII 特点：重载时，特点：重载时， n很小；轻载时，飞车。很小；轻载时，飞车。结论：结论：串励电动机不允许在小于串励电动机不允许在小于1520的额定负的额定负载下起动。载下起动。图图2.42IaIa6.串励电动机转矩特性串励电动机转矩特性Temf（Ia）根据转矩公式：根据转矩公式：2 aTaafTaTemICIIKCICT结论：结论：适用于重载起动的场适用于重载起动的场合，合， 不允许在空载和很轻负不允许在空载和很轻负载下运行。载下运行。e

50、mem图图2.43TemTemn n7.串励电动机机械特性串励电动机机械特性)(1saemfTfeRRUTKCKCn从电压方程从电压方程asaesaaesaaaIRRnCRRInCRRIEU)K()( )(f 以及以及aTemICT得得转速随所需电磁转矩的增加而转速随所需电磁转矩的增加而迅速变化，为迅速变化，为软特性软特性。 图图2.441 jR1 j2jRR0RjjR人为机械特性人为机械特性直流电动机的总结直流电动机的总结（1）三个平衡式，）三个平衡式， 以及以及UEa的电动状态判据。的电动状态判据。（2）不同励磁方式对工作特性的影响。）不同励磁方式对工作特性的影响。 以电动机作为原动机，按

51、人们所给定的规律以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械，来带动生产机械， 称为电力拖动。称为电力拖动。电电 源源控制设备控制设备电动机电动机传动机构传动机构工作机构工作机构图图2.46 电力拖动系统的构成电力拖动系统的构成2.6 2.6 直流电力传动直流电力传动稳定运行条件稳定运行条件 电机的机械特性需要与负载特性同时存在。电机的机械特性需要与负载特性同时存在。 分分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。点是系统的平衡点。平衡点稳定点？平衡点稳定点？稳定点：稳定点：在受到外界扰在受到外界扰动后，动后， 仍能还原的

52、点。仍能还原的点。稳定点的条件：稳定点的条件：dndTdndTZem Temn图图2.47一、起动基本情况一、起动基本情况1 1定义：电动机接到规定电源后，定义：电动机接到规定电源后，转速从零上升到转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程稳态转速的过程称为起动过程。2 2对电动机起动的要求对电动机起动的要求（1 1）起动电流要小；）起动电流要小；（2 2）起动转矩要大；）起动转矩要大；（3 3）起动设备要简单便可靠。）起动设备要简单便可靠。2.6.2 2.6.2 直流电动机的起动直流电动机的起动（1 1）直接起动直接起动（全压起动（全压起动） 注意：注意：他励直流电动机他励直流电动机 I Is

53、tst=I=Iast=ast=U/Ra U/Ra （2 2）在电枢回路外串电阻在电枢回路外串电阻R Rstst起动起动 I Istst=I=Iastast=U/(Ra + R=U/(Ra + R串串）(他励他励)使用起动器时，起动过程中外串电阻使用起动器时，起动过程中外串电阻R Rstst逐逐段切除。段切除。 二、起动方法二、起动方法（3 3）、）、降压起动降压起动 (他励他励) I Istst=I=Iast=ast=U U降降/Ra/Ra注意事项：注意事项：（1 1）并励（或他励）电动机起动并励（或他励）电动机起动时时电枢回路的外串电枢回路的外串电阻电阻R Rstst 应置于最大阻值位置应置

54、于最大阻值位置 ( (是为了限制起动电是为了限制起动电流流) ) ；励磁回路的外串电阻励磁回路的外串电阻R Rf f 应置于最小阻值位置。应置于最小阻值位置。（2 2）对）对串励直流电动机，不允许空载（或轻载）起串励直流电动机，不允许空载（或轻载）起动动，否则起动后将造成，否则起动后将造成 飞车飞车 事故。事故。（1）他励直流电机直接起动）他励直流电机直接起动aNaaaRUIREn , 0, 0, 0将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点优点：操作简单，无需另加设备。：操作简单，无需另加设备。缺点：缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生冲击电流大，引

55、起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。很小的电动机。tniaianiaia 图图2.48 2.48 直接起动时直接起动时iaia、n n随随t t变化曲线变化曲线起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步切除起动电阻。切除起动电阻。（2）电枢回路串变阻器起动）电枢回路串变阻器起动MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S图图2.493321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3aRNngh3n图图2.

56、50起动电流起动电流321cccaNstRRRRUI 将起动电流限制在允许的范围内，选择合将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的适的RstRst，其步骤，其步骤: :（1 1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻路电阻RaRa；（2 2）选取最大起动电流）选取最大起动电流I I1 1，计算最大起动电阻；，计算最大起动电阻；（3 3）决定起动电阻级数；）决定起动电阻级数；（4 4）计算起动电流比。）计算起动电流比。(3)(3)降压起动降压起动开始时，降低端电压，开始时，降低端电压， 使使I Iastast(1.5(1.52.0)I2.0)IN N,

57、, T Temem=(1.5=(1.52.02.0）T TemNemN。 随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。枢电流限制在一定范围内。优点优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：缺点：需专用直流发电机或整流电源，投资费用大。需专用直流发电机或整流电源，投资费用大。 改变传动机构的传动比改变工作机构的速改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为度，称为机械调速机械调速。 人为改变电动机的参数（如端电压、励磁人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载

58、得电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为到不同转速，称为电气调速。电气调速。 电动机驱动生产机械，对电动机的转速不电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求仅要能调节，而且要求调节的范围宽广调节的范围宽广、过、过程程平滑平滑、调节的方法、调节的方法简单、经济简单、经济。2.6.3直流电动机调速直流电动机调速直流电动机的转速公式：直流电动机的转速公式： ejaaCRRIUn)( n = (U IaRa总总)/Ce=U/ Ce-(Ra+Raj)TM/ CeCT2直流电动机的调速方法：直流电动机的调速方法：（1 1）改变施加在电枢两端的电压；）改变施加在电枢两端的电压；

59、（2 2）改变串入电枢回路的调节电阻；）改变串入电枢回路的调节电阻；（3 3）改变励磁电流从而改变磁通。）改变励磁电流从而改变磁通。(1)(1)改变端电压调速改变端电压调速 保持电动机的保持电动机的 N N不变且无外接电不变且无外接电枢电阻，枢电阻， 仅降低施加于电动机电枢两端仅降低施加于电动机电枢两端电压电压U U达到调速的目的，达到调速的目的， 称为称为降压调速降压调速。电压越低，电压越低， 转速越低，转速越低， 调速方向从基值调速方向从基值往下调。往下调。（2）物理过程）物理过程 设设 Tl C ， C （3 3）、）、负载转矩负载转矩T TL L不变，不变，则则T Temem不变，不变

60、，T Temem= = C CT TIaIa，故故 IaIa1 1= =IaIa2 2, , U U ， n n1 1 n n2 2U Ia n E Ia U=E(不变不变)+IaRa（n不能突变不能突变)Tem TC（4 4）、）、变化关系曲线变化关系曲线 图图2.53（5 5）、）、U U降低降低 n n 下降下降 图图2.53 降低电源电压转速电流变化曲线降低电源电压转速电流变化曲线调速过程电流变化曲线调调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变速前、后电流不变调速过程转调速过程转速变化曲线速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩结论：带恒转矩负载时负载时,U越小越小,转转